JP6413421B2 - 光学系及び光学系を有する光学機器 - Google Patents

光学系及び光学系を有する光学機器 Download PDF

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Description

本発明は、スペックルを低減する光学系及び光学系を有する光学機器に関する。
レーザ光のようなコヒーレントな光で、紙や壁などの粗面を照射し、その透過光や反射光を観察した場合に、明暗の斑点模様が生じることが知られている。このような斑点模様は一般的にスペックルと称されている。スペックルはレーザプロジェクタで映した画像を劣化させるものであることから、スペックルを低減する方法が種々提案されている。
例えば特許文献1には、レーザ光源から出射された円偏光の光束を偏光ビームスプリッター(PBS)に入射させ、P偏光成分を透過、S偏光成分を反射して異なる光路を進行させた後に両者を合成することが記載されている。そして、異なる光路(光路長)を経由した2パターンのスペックルを重畳することにより、スペックルのコントラストを低減することが記載されている。
特開2012−73476号公報
特許文献1のように光の分離及び合成にPBSを用いる構成では、光の入射角のずれが光の反射角に大きな影響を与える。その結果、光を合成する際に正確に合成することが困難となり、スペックルの低減効果が発揮されなくなる。
本発明は上述した問題点に鑑み、分岐した光を高精度に合成してスペックルを低減する光学系及び光学系を有する光学機器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の光学系は、光源部から出射される光線の光路上に配設されて入射光の光路を複数の光路に分岐して出射する第1の位相回折格子と、前記複数の光路上を進行する複数の分岐光が所定の角度で入射されて各分岐光を合成する第2の位相回折格子と、第1の位相回折格子から第2の位相回折格子までの各分岐光の光路長差を調整する光路長差調整部と、第2の位相回折格子に入射する各分岐光の入射角を所定の角度にする入射角調整光学系と、を備えることを特徴としている。
また上記構成の光学系において、前記光路長差調整部は、第1の位相回折格子と第2の位相回折格子との間において少なくとも一方の分岐光を反射して各分岐光の光路長差を調整する反射部材を有することが望ましい。
また上記構成の光学系において、前記反射部材に対する各分岐光の反射回数が異なる回数に設定されることで各分岐光の光路長差が調整されることが望ましい。
また上記構成の光学系において、前記光路長調整部が前記入射角調整光学系を兼ねることが望ましい。
また上記構成の光学系において、第2の位相回折格子により合成された光は非直線偏光光線であることが望ましい。
また上記構成の光学系において、前記光源部から出射した光線は、第1の位相回折格子及び第2の位相回折格子を複数回通過することが望ましい。
また、上記目的を達成するために本発明の光学機器は前記光学系を有することを特徴とする。
本発明によれば、位相回折格子により光源部から出射される光線が分岐される。位相回折格子において光の入射角度のずれが各分岐光の出射角度に与える影響が少ないため、各分岐光は異なる光路を通った後に、高精度に合成され、スペックルを低減することができる。
第1実施形態のレーザ走査型プロジェクタの概略構成図 第1実施形態のレーザ走査型プロジェクタが備える光路長差調整部の概略構成図 OC型偏光回折格子の基本特性を示す図 第2実施形態のレーザ走査型プロジェクタの概略構成図 第3実施形態のレーザ走査型プロジェクタが備える光路長差調整部の概略構成図 第3実施形態のレーザ走査型プロジェクタが備える光路長差調整部の概略構成図 第4実施形態のレーザ走査型プロジェクタが備える光路長差調整部の概略構成図
<第1実施形態>
以下、各実施形態では本発明の光学系を有する光学機器の一例としてレーザ走査型プロジェクタを例示する。図1は本実施形態のレーザ走査型プロジェクタの概略構成図である。図2は本実施形態のレーザ走査型プロジェクタが備える光路長差調整部の概略構成図である。
レーザ走査型プロジェクタ1は、図1に示すようにその各種の構成要素を収容する本体筐体2を備える。本体筐体2には走査レーザ光を本体筐体2の外部に導くための導光部材である封止窓3が設けられる。封止窓3は、例えばガラスまたは透光性の樹脂材料などを用いて形成されることが望ましい。これにより、本体筐体2の内部への塵埃や水分などの侵入を防止することができる。封止窓3は本体筐体2に設けた開口2aに嵌合する。
本体筐体2の内部には光源部である3個のレーザダイオード(以下LDと称する)21R、21G、21Bを含む光学系20、LDドライバ4、ミラーサーボ部5及びCPU6が収容される。なお、レーザ走査型プロジェクタ1には電源部、操作部、記憶部、入出力インタフェース等の他の構成要素が適宜設けられていても良い。
LD21Rは赤色(R)レーザ光を出射する発光素子である。LD21Gは緑色(G)レーザ光を出射する発光素子である。LD21Bは青色(B)レーザ光を出射する発光素子である。なお、以下の説明において、RGB3個のレーザダイオードを「LD21」と総称することがある。
光学系20はさらにコリメートレンズ22R、22G、22B、RGB合成プリズム23、集光レンズ24、立ち上げミラー25、水平走査ミラー26、垂直走査ミラー27及び光路長差調整部30(詳細は後述)を含む。なお、光学系20には他の光学素子が適宜設けられていても良い。
コリメートレンズ22R、22G、22Bは、LD21R、21G、21B各々から出射される光ビームであるレーザ光を平行光に変換する光学素子である。コリメートレンズ22R、22G、22Bを通過した各色のレーザ光はRGB合成プリズム23によって合成される。RGB合成プリズム23で合成されたレーザ光は集光レンズ24によって集光され、立ち上げミラー25によって反射されてその進行方向が変更される。
立ち上げミラー25で反射されたレーザ光は水平走査ミラー26及び垂直走査ミラー27に至る。水平走査ミラー26は水平方向にレーザ光を変位させる。垂直走査ミラー27は垂直方向にレーザ光を変位させる。
LDドライバ4はLD21R、21G、21B各々の駆動制御を行う。LDドライバ4はLD21R、21G、21B各々について発光のON/OFFや出力等に関する駆動制御を行うことができる。
ミラーサーボ部5は水平走査ミラー26及び垂直走査ミラー27の変位を制御する駆動制御部である。例えば、ミラーサーボ部5はCPU6からの水平同期信号に応じて水平走査ミラー26を駆動し、レーザ光の反射方向を水平走査ミラー26によって水平方向に変位させる。また、ミラーサーボ部5はCPU6からの垂直同期信号に応じて垂直走査ミラー27を駆動し、レーザ光の反射方向を垂直走査ミラー27によって垂直方向に変位させる。
CPU6は不図示の記憶部等に格納されたプログラムや制御情報などを用いて、レーザ走査型プロジェクタ1の各構成要素を制御する制御部である。CPU6は映像処理部6a、LD制御部6b及びミラー制御部6cを有する。
映像処理部6aは不図示の記憶部等に格納されたプログラム、不図示の入出力インタフェースから入力される映像に係る情報などに基づく映像情報を生成する。さらに、映像処理部6aは生成した映像情報を赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の3色の映像データに変換する。変換された3色の映像データはLD制御部6bに出力される。LD制御部6bは3色の映像データに基づくLD21R、21G、21B各々の光制御信号を生成し、LDドライバ4に出力する。ミラー制御部6cは映像情報に基づいて水平走査ミラー26及び垂直走査ミラー27の方向を制御するための制御信号を生成し、ミラーサーボ部5に出力する。
光路長差調整部30は入射される光を分岐し、各分岐光に光路長差を生じさせた上で合成する手段である。図2を参照して光路長差調整部30は、入射光L1の進行方向から順に、第1のOC型偏光回折格子31、第2のOC型偏光回折格子32、第3のOC型偏光回折格子34及び第4のOC型偏光回折格子35の4個のOC型偏光回折格子が配され、各OC型偏光回折格子は所定間隔離間して配される。また、第2のOC型偏光回折格子32と第3のOC型偏光回折格子34との間には反射部材33が配される。
OC型偏光回折格子31〜32、34〜35は図3に示すような基本特性を有しており、具体的には図3(A)に示すように、直線偏光を左円偏光と右円偏光に回折的に分岐させる。また、図3(B)に示すように、右円偏光を左円偏光に変換するとともに所定の角度で回折する。また、図3(C)に示すように左円偏光を右円偏光に変換するとともに所定の角度で回折する。また、図3(A')、(B')、(C')に示すようにOC型回折格子の軸を逆転させて配置することにより、入射光の偏光状態と出射光の回折方向および偏光状態を逆転させることができる。なお、図3に示した光線の進行方向を逆転させても回折と偏光状態変換の関係性は成立する。反射部材33としては臨界角以上の角度で入射する光線を全反射するプリズムが適している。
本実施形態において光路長差調整部30はLD21R、21G、21BのうちLD21Rから出射された光に起因するスペックルを低減するためにコリメートレンズ22RとRGB合成プリズム23との間に配されている(図1参照)が、他色のLDに起因するスペックルを低減するために当該色に対応するコリメートレンズとRGB合成プリズム23との間に配することとしてもよい。
図2を参照して、コリメートレンズ22Rを通過したLD21Rのレーザ光(直線偏光)は、第1のOC型偏光回折格子31に入射し、左円偏光L2と右円偏光L3とに分岐され、夫々第2のOC型偏光回折格子32に入射する。第2のOC型偏光回折格子32に入射したL2及びL3は夫々偏光方向が逆向きに変換されるとともに回折により所定の出射角で出射される。回折されたL2(すなわちL4)は第2のOC型偏光回折格子32の後段に配された反射部材33の反射面33aおよび33bで反射されて第3のOC型偏光回折格子34に入射する。また、回折されたL3(すなわちL5)は反射部材33に反射されることなく第3のOC型偏光回折格子34に入射する。この時、第1OC型回折格子31および第2のOC型回折格子32と、第3のOC型回折格子34および後述する第4のOC型回折格子35の軸方向は逆向きで構成する。
第3のOC型偏光回折格子34に入射したL4及びL5は回折に伴い夫々偏光方向が逆向きに変換される。回折されたL4及びL5(すなわちL6及びL7)は進むにつれて接近し、一点に収束する地点に配される第4のOC型偏光回折格子35に入射する。第4のOC型偏光回折格子35に入射したL6及びL7は夫々偏光方向が逆向きに変換されると共に、回折により出射方向が一致するため合成され(重なり)L8となる。
当該構成によれば、第1のOC型偏光回折格子31により分岐された光のうち一方(L2、L4、L6)は反射部材33により反射されて、第1のOC型偏光回折格子31から第4のOC型偏光回折格子35に至るまでの光路長が、他方(L3、L5、L7)に比べて長くなる。特に両者の光路長差がコヒーレント長以上の光路差となるように設定されることで、L8は光路長差がコヒーレント長以上、且つ、偏光方向が直交する円偏光が重なった光となり、これによりLD21Rから出射された光に起因するスペックルが低減される。
本実施形態によれば、特定色のレーザ光をOC型偏光回折格子により分岐し、各分岐光にコヒーレント長以上の光路長差が生ずるように各分岐光を進行させて高精度に合成するので、特定色のレーザ光に起因するスペックルを低減することができる。
なお、本実施形態では分岐光の一方を反射部材33で反射させ、他方を反射部材33に反射させないことで光路長差を生じさせることとしたが、双方を反射部材33に反射させつつ光路長差を生じさせてもよい。例えば反射部材33に対する反射回数を異なる回数に設定する光路とすることで光路長差を生じさせることとすればよい。
<第2実施形態>
第1実施形態では、特定色のレーザ光に起因するスペックルを低減するため、特定色のLDが入射するコリメートレンズとRGB合成プリズム23との間に光路長差調整部30を配することとしたが、複数の光路長差調整部30を各コリメートレンズとRGB合成プリズム23との間に配することとしてもよい。しかしながら、全てのコリメートレンズ22R、22G、22BとRGB合成プリズム23との間に光路長差調整部30を配する場合には合計三つの光路長差調整部30を配することになり、コストが上昇する。そこで本実施形態では、全てのレーザ光に起因するスペックルを低減させる場合において、RGB合成プリズム23よりも後段に光路長差調整部30を配することとする。
光路長差調整部30を配する位置としては、RGB合成プリズム23よりも後段であって、水平走査ミラー26よりも前段であれば特に限られるものではないが、本実施形態では一例として立ち上げミラー25と水平走査ミラー26との間に配する。
図4は本実施形態のレーザ走査型プロジェクタの概略構成図である。立ち上げミラー25によって反射されたレーザ光が、第1のOC型偏光回折格子31に入射してから第4のOC型偏光回折格子35で合成されるまでの流れは第1実施形態と同様である。
本実施形態によれば、コストを上昇させることなくRGBのレーザ光が合成されたレーザ光をOC型偏光回折格子により分岐し、各分岐光にコヒーレント長以上の光路長差が生ずるように各分岐光を進行させて高精度に合成するので、全色のレーザ光に起因するスペックルを低減することができる。
<第3実施形態>
第1実施形態及び第2実施形態において光路長差調整部30に入射するレーザ光の入射方向と、光路長差調整部30から出射されるレーザ光の出射方向は同一方向に設定されていたが、これに限られるものではなく、逆方向に設定することとしてもよい。図5は本実施形態のレーザ走査型プロジェクタの概略構成図である。図6は本実施形態のレーザ走査型プロジェクタが備える光路長差調整部の概略構成図である。
本実施形態において光路長差調整部40はコリメートレンズ22RとRGB合成プリズム23との間に配されている点で第1実施形態と同様であるが、LD21Rのレーザ光の出射方向とLD21G及び21Bのレーザ光の出射方向とが逆方向である点で異なる。
図6を参照して光路長差調整部40は、入射光L1の進行方向から順に、第1のOC型偏光回折格子41及び第2のOC型偏光回折格子42の2個のOC型偏光回折格子が配され、OC型偏光回折格子同士は所定間隔離間して配される。また、第2のOC型偏光回折格子42の後段には反射部材43が配される。
コリメートレンズ22Rを通過したLD21Rのレーザ光(直線偏光)は、第1のOC型偏光回折格子41に入射し、左円偏光L2と右円偏光L3とに分岐され、夫々第2のOC型偏光回折格子42に入射する。第2のOC型偏光回折格子42に入射したL2及びL3は夫々所定の角度で回折されるとともに偏光方向が逆転する。回折されたL2(すなわちL4)は第2のOC型偏光回折格子42の後段に配された反射部材43の反射面43a、43b、43cに順に反射されて進行方向が180度変換され、第2のOC型偏光回折格子42に裏面(L2が入射した面とは反対側の面)から入射する。また、回折されたL3(すなわちL5)は反射部材43の反射面43bに反射されて進行方向が180度変換され、第2のOC型偏光回折格子42に裏面(L3が入射した面とは反対側の面)から入射する。
第2のOC型偏光回折格子42に入射したL4及びL5は夫々表側から入射したときとは逆向きの円偏光として第2のOC型回折格子入射するため、表側からの入射光とは逆の角度に回折される。回折されたL4及びL5(すなわちL6及びL7)は進むにつれて接近し、一点に収束する地点に配される第1のOC型偏光回折格子41の裏面(L1が入射した面とは反対側の面)から入射する。第1のOC型偏光回折格子41に入射したL6及びL7は夫々表側からの入射光とは逆方向に回折されると共に、合成され(重なり)L8となる。
当該構成によれば、第1のOC型偏光回折格子31により分岐された光のうち一方(L2、L4、L6)は反射部材33により3回反射されるのに対して、他方(L3、L5、L7)は反射部材33により1回反射されるのみであり、当該反射回数に差異を設ける事により、前者の光路長が後者の光路長に比べて長くなるような構成とした。特に両者の光路長差がコヒーレント長以上の光路差となるように設定されることで、L8は重なった光線同士が干渉することなく、直交する偏光方向の光線が重なった光となり、これによりLD21Rから出射された光に起因するスペックルが低減される。
本実施形態によれば第1実施形態と同様の効果を奏する。加えて、同一のOC型偏光回折格子に対して複数回(本実施形態では表面及び裏面の2回)光を入射させることで必要なOC型偏光回折格子の個数を減ずることができ、光路長差調整部の小型化及びコストの削減が実現される。
なお、本実施形態は第2実施形態に対して適用することとしてもよい。
<第4実施形態>
上記第1実施形態及び第2実施形態においては各分岐光に対して光路長差を生じさせるためにレーザ光を分岐させるOC型偏光回折格子の後段に反射部材を配し、各分岐光が反射部材により反射される回数を異なる回数に設定することとしたが、反射部材を配することなく光路長差を生じさせることとしてもよい。図7は本実施形態のレーザ走査型プロジェクタが備える光路長差調整部の概略構成図であり、当該光路長差調整部を第1実施形態及び第2実施形態のレーザ走査型プロジェクタが備える光路長差調整部30と置き換えることが可能である。
図7を参照して光路長差調整部50は、入射光L1の進行方向から順に、第1のOC型偏光回折格子51、第2のOC型偏光回折格子52、第3のOC型偏光回折格子54及び第4のOC型偏光回折格子55の4個のOC型偏光回折格子が配され、各OC型偏光回折格子は所定間隔離間して配される。また、第2のOC型偏光回折格子52と第3のOC型偏光回折格子54との間であって、分岐光の一方(L5)の光路上に屈折部材53が配される。
屈折部材53は同一構造のプリズム53a〜53dの4個から構成される。各プリズムは入射光の光軸に垂直な面と、光軸に垂直な面から所定の角度傾斜した面とを有し、光軸方向に順に配置される。
入射光L1は、第1のOC型偏光回折格子51に入射し、左円偏光L2と右円偏光L3とに分岐され、夫々第2のOC型偏光回折格子52に入射する。第2のOC型偏光回折格子52に入射したL2及びL3は夫々所定の角度で回折されるとともに偏向方向が逆転する。回折されたL2(すなわちL4)は第3のOC型偏光回折格子54に入射する。また、回折されたL3(すなわちL5)は屈折部材53に入射する。この時、第1のOC型回折格子51および第2のOC型回折格子52と、第3のOC型回折格子54および後述する第4のOC型回折格子55の軸方向は逆向きで構成する。
プリズム53a及び53bに入射したL5は図7に示すように元の光軸から光路を曲げられるが、プリズム53c及び53dによって光路が戻される。従って、屈折部材53を通過する光(L5)の光軸がずれることなく第3のOC型偏光回折格子54に入射する。加えて、屈折部材53を通過する光(L5)の光路長(第2のOC型偏光回折格子52を出射してから第3のOC型偏光回折格子54に入射するまでの光路長)は屈折部材53を通過しない光(L4)の光路長(第2のOC型偏光回折格子52を出射してから第3のOC型偏光回折格子54に入射するまでの光路長)よりも長くなる。
第3のOC型偏光回折格子54に入射したL4及びL5は回折に伴い夫々偏光方向が逆向きに変換される。回折されたL4及びL5(すなわちL6及びL7)は進むにつれて接近し、一点に収束する地点に配される第4のOC型偏光回折格子55に入射する。第4のOC型偏光回折格子55に入射したL6及びL7は夫々偏光方向が逆向きに変換されると共に、回折により出射方向が一致するため合成され(重なり)L8となる。
当該構成によれば、第1のOC型偏光回折格子51により分岐された光のうち一方(L3、L5、L7)は屈折部材53を通過する際に屈折されて光路長が長くなるので、屈折部材53を通過しない他方(L2、L4、L6)に比べて、第1のOC型偏光回折格子51から第4のOC型偏光回折格子55に至るまでの光路長が長くなる。特に両者の光路長差がコヒーレント長以上の光路差となるように設定されることで、L8は光路長差がコヒーレント長以上、且つ、偏光方向が直交する円偏光が重なった光となり、これによりLD21Rから出射された光に起因するスペックルが低減される。
本実施形態によれば第1実施形態と同様の効果を奏する。加えて、反射部材を用いなくても各分岐光の光路長差を調整することが可能である。
1 レーザ走査型プロジェクタ
2 本体筐体
3 封止窓(導光部材)
4 LDドライバ
5 ミラーサーボ部
6 CPU
21R、21G、21B レーザダイオード(光源部)
22R、22G、22B コリメートレンズ
23 RGB合成プリズム
24 集光レンズ
25 立ち上げミラー
26 水平走査ミラー(変位部材)
27 垂直走査ミラー(変位部材)
30、40、50 光路長差調整部
31〜32、34〜35、41〜42、51〜52、54〜55 OC型偏光回折格子
33、43 反射部材

Claims (7)

  1. 光源部から出射される光線の光路上に配設されて入射光の光路を複数の光路に分岐して出射する第1の位相回折格子と、
    前記複数の光路上を進行する複数の分岐光が所定の角度で入射されて各分岐光を合成する第2の位相回折格子と、
    第1の位相回折格子から第2の位相回折格子までの各分岐光の光路長差を調整する光路長差調整部と、
    第2の位相回折格子に入射する各分岐光の入射角を所定の角度にする入射角調整光学系と、
    を備え、
    一部の前記分岐光は、円偏光の第1分岐光であり、
    他の一部の前記分岐光は、円偏光の第2分岐光である光学系。
  2. 前記光路長差調整部は、第1の位相回折格子と第2の位相回折格子との間において少なくとも一方の分岐光を反射して各分岐光の光路長差を調整する反射部材を有する請求項1に記載の光学系。
  3. 前記反射部材に対する各分岐光の反射回数が異なる回数に設定されることで各分岐光の光路長差が調整される請求項2に記載の光学系。
  4. 前記光路長差調整部が前記入射角調整光学系を兼ねる請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の光学系。
  5. 第2の位相回折格子により合成された光は非直線偏光光線である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の光学系。
  6. 記第2の位相回折格子は前記第1の位相回折格子であり、
    前記光路長差調整部は、
    前記第1の位相回折格子と離間して配され、前記第1の位相回折格子から入射する各分岐光を回折する第3の位相回折格子と、
    前記第3の位相回折格子の後段に配され前記第3の位相回折格子で回折された各分岐光を反射する反射部材と、
    を有し、
    前記第3の位相回折格子は、前記反射部材で反射された各分岐光を回折して前記第1の位相回折格子に入射させる請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の光学系。
  7. 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の光学系を有する光学機器。
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